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20 采 矿 工 程 黄 金 GOLD 2007年第 2期 /第 28卷 金属矿山深井热害产生原因及其治理措施 收稿日期 2006- 09- 28 作者简介 谭海文 1965, 男, 广西陆川人, 副教授,采矿工程硕士生导师, 主要从事矿井通风、 矿山安全的教学与科研工作; 广西南宁市大学路 100号, 广西大学资源与环境学院, 530004 谭海文 广西大学资源与环境学院 摘要 随着金属矿山开采深度的增加, 矿井高温热害问题会越来越严重, 导致井下空气温度变 化的主要因素是地热、 空气压缩热、 爆热和氧化反应热。文中分析了金属矿山井下热源及其危害, 介绍了井下热量计算方法, 提出利用矿井通风技术治理井下热害的措施。 关键词 金属矿山; 深井开采; 热害; 矿井通风 中图分类号 TD853392 文献标识码 B 文章编号 1001- 1277 2007 02- 0020- 03 0 引 言 目前, 我国地下金属矿山多数已进入中晚期开采 时期, 矿井采掘深度增加, 地温随之升高, 加上其他热 源的放热作用, 使得受到高温威胁的矿井日益增多。 在高温环境下作业, 不但劳动生产率会下降, 损害工 人身体健康, 同时严重威胁井下安全, 并易引发灾害 和事故。我国 金属非金属矿山安全规程 规定, 金 属矿山井下作业地点的空气温度 ∀ 26 [ 1]。因此, 研究金属矿山井下热源与通风问题, 对确保矿山安全 生产和工人身体健康, 保障矿业持续健康发展, 具有 重大意义。 1 井下热源分析 井下气温升高, 是由于各种热源散热的缘故。井 下热源包括地热、 地下水蒸发热、 空气压缩热和机械 设备放热以及爆热、 氧化反应热、 人体代谢生成热等。 实践证明, 地热、 空气压缩热、 爆热和氧化反应热是主 要的井下热源。 1 . 1 地 热 地热是最重要的深井通风热源, 据研究, 深井岩 层放热占井下热量的 48 [ 2]。地热是以围岩传热形 式散热, 地面以下岩层温度变化规律是 自上而下, 岩 层划分为变温带、 恒温带和增温带, 其中, 恒温带以下 的岩石温度随深度增加而增加, 当采掘作业将岩石暴 露出来以后, 地热便从岩石中释放出来。原岩放热是 深井矿山的主要热源之一, 当井下空气流经围岩时, 两者发生热交换, 从而使井下空气温度升高。 因受地热增温的影响, 岩石温度随深度的增加而 升高。围岩与井巷空气热交换的主要形式是传导和 对流, 即借热传导自岩体深处向井巷传热, 或经裂隙 水借对流将热传给井巷。 在大多数情况下, 围岩主要 以热传导方式将热传给岩壁, 并通过岩壁传给井下空 气。 岩石温度随深度而增高的程度决定于岩石成分 和岩石的导热性能、 水文地质特征和其他一些因素, 一般用地热增温率来表征岩石的增温程度 [ 2] th t0 Gth- h0 1 式中 th为深度 h处的岩石温度 ; t0为该地区地 表空气的年平均温度 ; Gt为地热梯度 /m; h 为所测定岩石温度之点距地表的深度 m ; h0为恒 温带的深度 m。 由于围岩与井巷空气热交换是一个复杂的非稳 定过程, 计算也非常繁琐。为计算方便, 视此类问题 为沿巷道轴向进行的一维非稳态热传导问题处理, 并 设岩石内温度高于井下空气温度, 岩石传给井下空气 的热量可按 2式计算 [ 3] Q 2 AkTw- Ti t 2 式中 Q为岩石传给井下空气的热量 J; A 为巷道断 面积 m 2 ; t为巷道通风时间 s; Tw为围岩的原始 岩温 K; Ti为巷道内某点空气的温度 K; k为围岩 的热导率 [W / m ∃ K ]; 为围岩的热扩散系数 m 2 /s。 1 . 2 空气压缩热 地面空气经井筒进入矿井内, 由于受到井筒空气 柱的压力而被压缩, 空气到达井筒底部时, 其所具有 的势能转化为热能。试验研究结果表明 空气每下降 100m, 气流温度升高约 0 . 4 0 . 5 , 空气压缩放热 占井下热量的 20 [ 2]。 当空气沿着井巷向下流动时, 在重力场作用下, 由于其势能转换为焓, 其压力与温度都有所上升。根 2007年第 2期 /第 28卷 采 矿 工 程21 据能量守恒定律, 风流在压缩过程中的焓增与风流前 后状态的高差成正比, 即 i2- i1 gh1- h2 3 式中 i1、 i2为风流在始点与终点时的焓值 J/kg; h1、 h2为风流在始点与终点状态下的标高 m ; g 为 重力加速度 m / s 2 。 对于理想气体 di cpdt, 即 i2- i1 cpT2- T1 4 式中 cp为空气的定压比热容, cp 1 005J/ kg∃ K; T1、 T2分别为风流在始点及终点时的干球温度 K。 故 T2- T1 0 . 009 76h1- h2。 从上述结论可以看出, 空气压缩所引起的焓增同 风量无关, 只与两点标高有关, 而且随着开采深度的 增加而相应增大。空气沿井筒下降, 由于空气沿井筒 往下流经 100m 垂深距离时, 热量约增加 0 . 979J/kg 。 1 . 3 爆 热 炸药爆炸产生的能量一部分用来破坏矿岩结构, 另一部分则以热量的形式向矿内空气释放, 同时也使 采下的矿石温度升高。因此, 井下炸药爆炸具有两重 放热性, 一方面在爆破时期内迅速向空气及围岩放 热, 形成一个较高的局部热源; 另一方面炸药爆炸时 传向围岩中的热又以围岩放热的形式在一个较长的 时期内缓慢地向矿内大气释放出来。炸药爆炸过程 是一个复杂的化学反应过程, 根据盖斯定律 [ 4], 认为 化学反应热效应同反应进行的途径无关。 设 1 , 2 , 3分别表示在标准状态下的元素、 炸药和 爆轰产物, 根据盖斯定律, 从状态 1到状态 3, 与从状 态 1经状态 2到状态 3的热效应相等, 即 Q1- 3 Q1- 2 Q2- 3 5 式中 Q1- 3为爆轰产物的生成热 kJ; Q1- 2为炸药的 生成热 kJ; Q2- 3为炸药的爆热 kJ。 若已知炸药成分, 查表得各种成分的生成热, 可 按 6式计算炸药的生成热。 Q1- 2 n i 1m iqi 6 式中 mi第 i种炸药成分的摩尔数 mol; qi为第 i种 炸药成分的生成热 kJ/mol。 若已知爆轰产物的成分, 查表得各种成分的生成 热, 可按 7式计算爆轰产物的生成热。 Q1- 3 n i 1m q S为 矿石暴露面积 m 2 ; q0为单位暴露面积矿石氧化时 放出的热量 [ J/ m 2 ∃ h ]; Qf为流经设备的风量 kg/s; cp为空气的定压比热容 [ J/ kg∃ K ]。 2 井下热源危害 2 . 1 对人体的危害 高温是指气温超过 30 , 高湿是指相对湿度超 过 80 。工人在湿热环境中较长时间的作业, 会发 生中暑、 热虚脱等疾病, 同时还会引起某些机能障碍 体温调节发生障碍, 主要表现为体温和皮温升高; 水 盐代谢出现紊乱, 使机体的机能受到影响; 循环系统、 消化系统、 泌尿系统、 神经系统等均会因高温高湿大 量失水, 改变正常的功能, 甚至致病。 2 . 2 对劳动生产率和安全的影响 在高温矿井中, 一般生产率均较低, 有的矿山其 相对劳动效率仅为 30 。根据南非资料 工作面温 度超过标准 1 , 工人的劳动效率降低 7 10 , 前 苏联的统计资料 工作面温度超过 26 , 劳动效率系 数为 0 . 8 , 高于 30 时, 劳动效率系数为 0. 7 。 在高温环境中, 人的中枢神经系统容易失调, 从 而感到精神恍惚、 疲劳、 周身无力、 昏昏沉沉, 这种精 神状态成为诱发事故的原因。广西茶花山锑矿自建 矿以来, 矿井曾发生多起伤亡事故, 从事故发生的时 间上看, 主要集中在每年的 4 7月, 而这段时间井下 温度达 30 以上, 相对湿度达 90 。根据日本 7个 矿井的调查结果表明 在 30 37 以上的工作面 较 30 以下工作面的事故率增加 1 . 5 2 . 3倍, 2 . 3 对矿井气候条件的影响 矿井气候条件的好坏不但决定于空气的温度, 而 且还决定于空气中的含湿量及风速。为了保护井下 工人的身体健康, 我国 金属非金属矿山安全规程 规定, 金属矿山井下作业地点的空气温度 ∀ 26 , 相 对湿度为 50 60 。凡超过此上限值的矿井, 必 须采取降温措施。 3 井下热害治理措施 对于金属矿山, 影响井下热源的因素是复杂的, 通过以上分析可见, 采取矿井通风方法, 利用矿井通 22 采 矿 工 程 黄 金 风手段是减少或消除井下热害的有效措施, 为井下作 业面提供安全舒适的作业环境。 3 . 1 增大井下通风量 1降低井下通风风阻。当井巷断面积一定时, 水力半径最大的井巷风阻最小, 而在各种断面形状 中, 以圆形断面的水力半径最大, 故主要井巷应该尽 量设计成圆形断面; 井巷的摩擦风阻与井巷断面积的 2 . 5次方成正比, 因此, 刷大井巷断面, 可以降低通风 阻力; 为降低井巷表面摩擦, 必要时可采用表面衬砌、 光面爆破、 清除井巷内堆积物等技术措施。 2防止漏风。矿井出现漏风, 会降低工作面的 有效风量。采用对角式通风系统, 后退式开采顺序, 进风和回风巷道尽量布置在脉外岩石中, 提高通风构 筑物的质量, 加强其严密性, 防止通风构筑物漏风; 在 风路中安设辅扇、 采用降阻调节法调节风量等措施, 减少甚至防止井下漏风。 3改变主扇工作特性, 以提高通风机能力。当 矿井风阻一定时, 风机产生的风量与转数的一次方成 正比, 因此, 调整主扇转速将有利于提高主扇的调控 能力和调控效率; 调整轴流式风机叶片安装角, 叶片 安装角越大, 风量越大; 或采用变频调速技术调整矿 井主扇的转速, 也有利于改变主扇工作特性, 以提高 通风机能力。 4加强通风管理。改善通风系统各组成部分 的维护状态, 保证漏风和风流循环最小, 提高通风系 统中各类扇风机的运转效率, 针对矿井通风状况, 有 计划地定期对通风系统及网路进行测定, 包括矿井通 风阻力、 风压、 风量等通风技术参数测定和风机性能 参数、 风筒参数的测定, 及时合理地调整通风系统, 使 其始终处于最优运行状态中。 3 . 2 采用合理的阶段通风网路结构 金属矿山多数采用多阶段同时作业, 阶段通风网 路结构不同, 应以能抑制采空区热风串入工作面和增 加工作面有效风量为原则, 采场下行通风时, 矿岩运 输方向与风流同向, 这样使矿岩运输过程中放出的热 量和水蒸气, 以及运输设备的机电设备散热等不再返 回工作面, 从而大大改善工作面入风流的空气状态。 3 . 3 优化通风系统 矿井通风系统与矿床开拓方式密切相关, 矿床开 拓方式不同, 入风线路长度不同, 因此, 风流到达工作 面的风温也不同。一般情况下, 采用分区式开拓和对 角式通风系统, 可以大大缩短入风线路长度, 降低入 风流到达工作面前的温升。 4 工程实例 广西某锡矿矿体埋藏在 540m 至 - 79m 水平范 围内, 地热梯度为 4/m, 深部开采地温较高, 矿石平 均含硫 23 . 55 , 硫化物会氧化放热, 空气沿井筒压 缩也会产生热量, 因此, 热害已成为影响该矿安全生 产的重要因素, 井下空气温度曾高达 30 以上。但 该矿井采用分区进风、 集中回风的对角式通风系统, 以斜井和竖井为进风井, 主回风斜井回风, 200m 中段 以上采用斜井、 斜坡道、 竖井联合开拓, 200m中段以 下采用盲斜井、 斜坡道联合开拓, 对 - 23m 水平以上 回风巷道进行清理、 刹大及局部整改, 回风井巷断面 均大于 14 . 3m 2, 分别在 450m 中段、 安装 2台 110k W 风机, 在 250m 中段安装 2台 90k W 风机, 在 - 23 m 中段安装 1台 30k W 局扇, 实现 ∋多风机、 多级机站 的通风方式, 对漏风巷道进行密封, 其中从 450m 中 段到 - 50 m 中段共做密闭墙 14处, 调节风门 5个, 对采场进、 回风路线进行严格调控, 严格监测井下风 压、 风量等通风参数, 使井下通风风流得到有效控制, 风量分配更加合理, 风量满足生产要求, 通风系统总 进风量 103 . 69m 3 / s , 总回风量 73 . 78m 3 /s; 掘进工作 面采用 5 . 5k W 局扇、 回采工作面采用 11k W 局扇进 行强化通风, 较长的独头掘进工作面采用压、 抽混合 式局部通风, 通过采取有效措施, 提高了有效风量率 和工作面综合合格率, 井下气候条件得到较好改善, 井下作业地点的空气温度控制在 26 以下。 5 结 论 1随着金属矿山开采深度的增加, 矿井高温热 害问题会越来越严重, 导致温度变化的主要因素是地 热、 空气压缩热、 爆热和氧化反应热。 2井下热害威胁人体健康, 降低劳动生产率, 恶化井下气候条件, 影响矿山安全生产。我国 金属 非金属矿山安全规程 规定, 金属矿山井下作业地点 的空气温度∀ 26 。凡超过此上限值的矿井, 必须采 取降温措施。 3利用矿井通风方法和手段, 优化矿井通风系 统和通风网路, 加强矿井通风管理, 是减少或消除井 下热害的有效、 经济的措施。通风是井下降温最有效 的手段之一, 据测 算, 风量由 990m 3 /m in 增加到 1 280m 3 /m in, 气温平均降低 2. 5 。 4通过加强通风, 改善井下通风状况, 可实现 井下降温, 但要解决的主要问题是确定合理风速问 题。因为风量的增加不是无限制的, 它受规定的风速 和降温成本的制约, 加大风量受巷道风速安全标准的 限制, 增加主扇的动力消耗, 且当风量加大到一定程 度后其降温作用反而消失。因此, 在利用矿井通风手 段和方法减少甚至防止井下通风热害时, 应根据我国 金属非金属矿山安全规程 规定, 处理好风量与风 2007年第 2期 /第 28卷 黄 金 GOLD 采 矿 工 程23 相空间重构理论在边坡位移预测中的应用研究 韩万东1, 王创业 1, 韩 雪2 1. 内蒙古科技大学资源与安全工程学院; 2. 中国石油大学 北京 工商管理学院 摘要 文中主要对重构相空间中时滞系数和嵌入维数的取值进行了讨论, 在重构相空间后利用 边坡位移的时间序列建立了位移预测模型, 预测出边坡未来的发展变化。最后结合某边坡算例, 证 明该方法具有一定的精确度。 关键词 边坡; 相空间重构; 时滞系数; 嵌入维数; 预测 中图分类号 TD8546 文献标识码 B 文章编号 1001- 1277 200702- 0023- 04 0 引 言 边坡失稳作为一种地质灾害, 将给金属矿山露天 开采造成重大损失。 对边坡失稳预测的研究具有极其 重要的理论和实际意义, 通常预测边坡失稳首先需要 预测边坡位移的发展变化。 由于边坡是一个非线性耗 散动力系统, 本身比较复杂, 直接对该系统建模预测 其未来的发展变化非常困难。 利用相空间重构对边坡 位移时间序列建立预测模型, 从而对边坡未来的位移 进行预测, 是目前采取较多的一种预测方法 [ 1 3] 。 相 空间重构技术的关键在于正确地选取嵌入空间维数 m 和时滞系数 。 关于这两个参数的确定方法很 多, 如 GP算法、 预测误差最小法 [ 2] 等。 其中, 预测误 差最小法算量小、 精度高、 适用性较强。 但该方法的局 限性在于确定嵌入维数时, 需要先假定一个时滞系 数。 然而根据 Takens的嵌入定理, 只有在选取最佳时 滞系数时才能保证获得最佳嵌入维数, 因此该时滞系 数的选择是否正确直接影响了嵌入维数的选择。 这 样, 如果要获得最佳嵌入维数必须先确定最佳时滞系 数。 因而本文首先采取自相关函数法确定出最佳时滞 系数, 再利用假最近邻点法确定最佳嵌入维数, 最后 重构相空间预测边坡位移。 1重构相空间 1 . 1最优时滞系数 opt 的确定 研究表明 [ 4], 混沌吸引子的重构相空间轨道随 时滞系数 的变化规律为 当 很小时, 相空间轨 道 线 被压缩在对角线上, 混沌吸引子所包含的信 息量较小; 随着 的增大, 相空间轨道逐渐展开, 混沌 吸引子包含的信息量较大, 而当 增大到一定值以 后, 相空间轨道开始出现折叠现象; 随着 的继续增 大, 相空间轨道被拉伸, 而使混沌吸引子被扭曲的面 目全非, 重构相空间的各个分量会因为毫不相干而表 收稿日期 2006- 10- 18 作者简介 韩万东 1962, 男, 内蒙古包头人, 副教授, 主要从事采矿工程的教学及研究工作; 内蒙古包头市阿尔丁大街 7号, 014010 速的关系, 并应取得合理的通风运营经济效益。 [参考文献 ] [ 1] 金属非金属矿山安全编委会 金属非金属矿山安全 [M ] 武 汉 湖北科学技术出版社, 2003 [ 2] 王英敏 矿井通风与防尘 [M ]北京 冶金工业出版社, 1997 [ 3] 陈晋南 传递过程原理 [M ]北京 化学工业出版社, 2004 [ 4] 高尔新 杨仁树 爆破工程 [M ] 徐州 中国矿业大学出版社, 1999 Causes and countermeasures of heathar m in deep shafts in undergroundmetalm ines TanH ai wen College of Resources and Environment , Guangxi University Abstract W ith the increase of the depth of shafts in metalm ine,the problem of high temperature heat har m be comesmore andmore serious . The main causes are terrestrial hea,t air compression hea, t explosive heat and oxidizing reaction hea. t The article analyses the heat sources in undergroundmetalm ines and heathar m,and introducesmeth ods to calculate the quantity of hea. t The counter measure of using ventilation technique to manage heatharm in under ground m ines is put forward . Keywords metalm ine ;deep m ining ;heathar m;ventilation technique编辑 邢万芳